Seksjonen forskning består av saker som er skrevet av ansatte i Forskningsrådet, Sintef, NTNU og UiO.

NTNU - nanoteknologi

Nå kommer delene som kan gjøre at elektronikken knapt bruker strøm

NTNU-forskere har klart å lage en 1 nanometer stor likeretter.

Et atomkraftmikroskop (AFM) brukes i for å få ny innsikt i hvordan verden fungerer på nanonivå.
Et atomkraftmikroskop (AFM) brukes i for å få ny innsikt i hvordan verden fungerer på nanonivå. (Foto: Dennis Meier, NTNU)

NTNU-forskere har klart å lage en 1 nanometer stor likeretter.

  • Forskning

Tilsynelatende finnes det ingen grense for ønskene våre. Vi vil ha stadig mindre og raskere elektronikk.

Men vi nærmer oss en grense for hvor kraftige de elektroniske komponentene våre kan bli med teknologien vi bruker nå. Dermed når vi også en grense for hvor raske dingsene og datamaskinene våre kan bli.

Da må vi se på nye løsninger. Som å lage nye typer nettverk for overføring av strøm.

– Nå kan vi herme etter en halvlikeretter på nanonivå, sier Dennis Meier, førsteamanuensis ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.

Vi snakker om likerettere på rundt 1 nm, og 1 nm er én milliarddels meter. Dette er bittelite.

I større skala er en likeretter et apparat som omformer vekselstrøm fra stikkontakten til likestrøm som kan brukes i det elektriske apparatet ditt. Eller nesten et synonym for diode, en komponent som stort sett leder strøm fra én retning til en annen. Det er den siste typen vi snakker om her.

Fra før kunne Meier og kollegene herme etter en bryter.

Innenfor elektronikk er ikke brytere og likerettere noe som ligner på magi. Det er deler i teknologien som vi bruker daglig. Den slags har vi stort sett sluttet å la oss forbløffe over.

Men det Meier snakker om er altså noe helt nytt.

Raskere, mindre, kaldere

I større skala er en likeretter en elektronisk komponent som gjør om vekselstrøm (AC) til likestrøm (DC), en elektrisk strøm med konstant styrke og retning. Dette er nødvendig for at den mer skiftende vekselstrømmen i stikkontakten skal kunne brukes i duppedittene dine.

Men det er ikke akkurat det vi snakker om her heller. Denne likeretteren fungerer derimot på omtrent samme måten. Egentlig har de demonstrert en slags halvbølgelikeretter, som blokkerer halvparten av en bølge i et signal i noe som kalles en domenevegg.

Mer om det senere.

Alt er del av noe som en dag kan gjøre oss i stand til overføre stabile signaler enda raskere enn før, i mye mindre skala, uten varmeutvikling og med minimal bruk av elektrisitet.

Og samtidig ikke. For dette er fremdeles grunnforskning.

Kan måle også

– Det som er virkelig spennende er at vi kan gjenskape funksjonaliteten til viktige elektroniske komponenter i domenevegger, og disse domeneveggene er 100 til 1000 ganger mindre enn tradisjonelle komponenter. Dette gir potensial for mindre, raskere og billigere elektronikk med minimalt energiforbruk, sier Sverre Magnus Selbach, også han førsteamanuensis ved Institutt for materialteknologi.

Ikke bare har de observert noe på nanonivå som ligner på en likeretter. De har også kommet frem til en metode for å måle aktiviteten i likeretteren. Dette har de gjort ved hjelp av scanning probe mikroskopi (SPM) og dielektrisk spektroskopi i nanoskala.

De er begge del av en forskergruppe som har fått resultatene sine publisert i Nature Nanotechnology.

Får mindre varmeutvikling

Hva har de egentlig gjort? Heng med.

Du kan påføre materialer elektrisk strøm, overføre signalet i materialet ved hjelp av en ren spinnstrøm, og få elektrisk strøm ut i den andre enden av materialet. Dette kan du lese mer om her, men hovedpoenget er at dette har flere fordeler, fordi elektronene ikke er involvert i overføringen i selve materialet.

Dette gir blant annet mindre varmeutvikling under overføringen og raskere kontroll av strømmen. Nettopp varmeutviklingen er en hovedbegrensning med dagens teknologi, og kanskje den viktigste grunnen til at kloke hoder må finne nye løsninger om vi skal få enda raskere dingser.

Forskergruppen observerte det som skjedde når de tilsatte vekselstrøm til erbiummanganoksid (ErMnO3). Dette er en såkalt ferroelektrisk halvleder.

Halvlederen har en krystallstruktur. Om du forstørrer denne nok, er krystallene igjen delt inn i atskilte områder med hver sine spesielle magnetiske og ferroelektriske egenskaper. Slike områder kalles domener. Og disse domenene er atskilt av vegger.

Signaler i domenevegger

Domenevegger er det interessante i denne sammenhengen. For domenevegger kan vi bruke til å sende signaler over.

Forskergruppen undersøkte altså signaloverføringen i nettopp disse domeneveggene.

De færreste av oss kan lese av resultatene fra mikroskopene. Men dette er altså til hjelp. Foto: Dennis Meier, NTNU

En likeretter er en nødvendig komponent for å lage et praktisk fungerende nettverk i denne skalaen. Og det er denne likeretteren disse folkene har funnet i domenevegger.

De tilførte en full bølge i den ene enden av materialet og fikk en halv bølge i den andre. Dette er nettopp jobben til en halvlikeretter.

Arbeidet gjør at vi nå vet mer om opphavet til de likerettende egenskapene. Dette har forskergruppen greid ved å kombinere elektronmikroskopi og atomskalasimuleringer på superdatamaskinen Vilje ved NTNU.

– Vi er svært heldige ved NTNU som har tilgang til både elektronmikroskopi i verdensklasse og superdatamaskiner. Dette gjør oss i stand til å bruke tunge beregninger som et «teoretisk mikroskop» der vi for alvor kan gjøre detaljerte tester av hvordan vi tolker målingene, sier Selbach.

Har enkeltdeler som fungerer

Så hva betyr dette? Er vi kommet så mye nærmere nye teknologiske løsninger, superraske datamaskiner og den slags som vi vanligvis drar frem når vi snakker om mulige praktiske konsekvenser av denne typen forskning?

Selv grunnforsker Meier er tilsynelatende litt på glid. Kanskje er det alle gangene han har hørt seg selv si at det finnes praktiske muligheter ved forskningen hans som gjør at han begynner å tro på det selv, undrer han.

– Vi har enkeltdeler som fungerer. Vi kan lage en bryter og en likeretter i denne skalaen. Foreløpig kan vi ikke koble disse enkeltdelene sammen. Men vi har også ideer om hvordan vi skal få til det, konstaterer Meier.

Dermed er de et stykke på vei til å lage et kretsløp på nanonivå.

– Generelt er dette interessant fordi det gjør oss i stand til å designe kondensatorer, induktorer og transformatorer på nanonivå. Å tilføre vekselstrøm istedenfor likestrøm er dessuten mye mer energieffektivt, og reduserer varmeutviklingen, sier Meier.

Om de lykkes? Det vet vi ikke. Men antakelig vet vi mer snart.

Kommentarer (9)

Kommentarer (9)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå